Was ist Wasserstoffversprödung: der unsichtbare Verzögerungsbruch

Wasserstoffversprödung (Hydrogen Embrittlement) wird im Vorwort von GB/T 3098.17-2000 „Mechanische Eigenschaften von Verbindungselementen – Vorspannversuch zur Prüfung auf Wasserstoffversprödung – Verfahren mit paralleler Anlagefläche", das ISO 15330:1999 identisch übernimmt, so beschrieben: Wenn Wasserstoffatome in den Stahlgrund eingedrungen sind, kann es unter Spannung – wahrscheinlich unterhalb der Streckgrenze, sogar innerhalb der normalen Festigkeitsauslegung – zu einem Absinken der Zähigkeit oder Tragfähigkeit kommen, mit submicroskopischen Brüchen oder plötzlichem Sprödbruch. Ein solcher Fehler ist im normalen Zugversuch nicht erkennbar. Man spricht von wasserstoffinduziertem verzögertem Sprödbruch, Wasserstoff-Spannungsbruch oder eben Wasserstoffversprödung.

Das Gefährlichste ist die „Verzögerung": Die Schraube ist nach der Galvanik noch einwandfrei, bricht aber erst Stunden, Tage oder Wochen nach dem Einbau ohne Vorwarnung. Der Bruchfläche ist glatt und kristallin, sitzt oft im Gewinde-Einschraubbereich und wird leicht mit „zu fest angezogen" oder „schlechtem Material" verwechselt.

Welche Prozesse und Teile sind gefährdet

Woher kommt der Wasserstoff? Die ISO-Einleitung nennt: Wärmebehandlung, Gasaufkohlen, Reinigen, Beizen, Phosphatieren, Galvanisieren sowie kathodischer Korrosionsschutz im Einsatz können Wasserstoff erzeugen; auch beim Gewindewalzen, Zerspanen, Schweißen oder Löten kann Wasserstoff entstehen. Für Verbindungselemente sind die Haupteintragspfade das Beizen vor dem galvanischen Verzinken/Zink-Nickel und die Galvanik selbst.

Eine betriebliche rote Linie: Stahl-Verbindungselemente mit einer Härte über HV320 (etwa ab 10.9), die gebeizt oder galvanisiert wurden, müssen wasserstoffseitig kontrolliert werden. Je höher die Festigkeit, desto tödlicher die Wasserstoffversprödung.

Prüfung nach GB/T 3098.17

Ob eine Charge wasserstoffgefährdet ist, lässt sich nicht durch Anschauen entscheiden, sondern nur durch den genormten Vorspann-Versuch. Die Kernpunkte des parallelen Anlageflächen-Verfahrens nach GB/T 3098.17-2000:

1. Probe schmieren: vor dem Versuch ölen (Öl oder schwefelfreies Schmiermittel), um einen möglichst gleichmäßigen Reibbeiwert zu erhalten.
2. Vorspannung aufbringen: Schraube/Schraubbolzen mit passender Mutter montieren und mit dem Drehmomentschlüssel bis zur Streckgrenze anziehen; maximale Anziehgeschwindigkeit 0,33 s⁻¹ (etwa 20 U/min). Die Norm weist ausdrücklich darauf hin, dass wasserstoffgefährdete Verbindungselemente plötzlich brechen und verletzen können – eine Schutzscheibe ist zu verwenden.
3. Früh beginnen: Der Versuch ist so schnell wie möglich, am besten innerhalb von 24 h nach Ende der Fertigung zu starten. Der Norm-Hinweis: Lässt sich die Wasserstoffversprödung früh erkennen, mindert eine Verlängerung des Starts auf Tage bis eine Woche die Trefferquote erheblich – je später, desto eher wird etwas übersehen.
4. Dauer und Nachziehen: Der Versuch läuft mindestens 48 h, das Verbindungselement ist mindestens alle 24 h auf das Anfangsmoment/die Anfangskraft nachzuziehen; verliert auch nur ein Teil über 50 % des Moments, ist auf demselben Teil neu zu beginnen.
5. Bewertung: Nach dem Versuch werden die Proben ohne Lupe besichtigt; gibt es keine sichtbaren Risse oder Brüche, gilt der Versuch als bestanden. Vor dem letzten Nachziehen ist etwa 1/2 Umdrehung zurückzudrehen, um zu unterscheiden, ob der Bruch im eingeschraubten Gewindeteil lag.

Vorbeugung vom Werkstoff bis zum Brennen

• Bevorzugt wasserstofffreie Verfahren: Hochfeste Teile bevorzugt mit Dacromet/Zink-Alu (stromfrei, kein Wasserstoff) beschichten, um das Risiko von vornherein zu meiden.
• Muss galvanisch werden, dann entwässern: Nach Verzinken/Zink-Nickel innerhalb der Frist (meist innerhalb 1 h) eine Wasserstoff-Brennung durchführen, üblich 190–220°C über mehrere Stunden, um den eingedrungenen Wasserstoff austreiben zu lassen.
• Beizen verkürzen: möglichst alkalisches Entfetten statt starkes Beizen, die Säure-Tauchzeit verkürzen und Überkorrosion vermeiden.
• Chargen-Prüfung: Hochfeste Teile nach GB/T 3098.17 im parallelen Anlageflächen-Vorspann-Versuch prüfen und erst nach Bestätigung ausliefern.

Checkliste für die Praxis

Bei einer Charge hochfester Schrauben lässt sich das Wasserstoff-Risiko anhand von fünf Punkten schnell einordnen:

Das Tückische an der Wasserstoffversprödung ist, dass der Bruch oft erst Tage oder Wochen nach der Montage auftritt. Die Schraube sieht äußerlich unversehrt aus, ist unter der Beschichtung aber bereits wasserstoffbeladen und reißt unter Dauerlast unvermittelt quer ab. Betroffen sind vor allem hochfeste Stähle ab 10.9, verzinkte und besonders stark vergütete Oberflächen. Gegensteuern lässt sich mit drei Maßnahmen: erstens eine niederfestere, weniger empfindliche Klasse wählen, wenn es die Konstruktion hergibt; zweitens nach dem galvanischen Beschichten innerhalb der vorgeschriebenen Frist einen Ofengang nachschalten, um den eingetragenen Wasserstoff auszutreiben; drittens die Vorspannung nicht über die empfindliche Schwelle zu treiben. Eine Prüfung unter Vorspannung über die geforderte Haltezeit zeigt, ob das Risiko beherrscht ist.

Erkennen lässt sich eine beginnende Wasserstoffversprödung oft an der Bruchfläche: Statt eines duktilen, eingezogenen Bruchs zeigt sich ein glatter, körniger Querbruch ohne sichtbare Plastizität. Solche Brüche treten häufig erst nach der Montage unter Dauerlast auf, manchmal erst nach Wochen. Die wichtigste Gegenmaßnahme bleibt das Right-Processing: nach dem Beizen und Beschichten unverzüglich und ausreichend lange bei etwa 200 Grad Celsius entwässern, hochfeste Teile nicht durch zu aggressive Säuren ziehen und die Oberflächenspannung nicht über das Maß treiben. Wer ganz auf Nummer sicher gehen will, wählt eine etwas niedrigere Festigkeitsklasse, denn mit steigender Härte wächst die Empfindlichkeit überproportional. Dieser Kompromiss ist oft billiger als ein gebrochenes Teil im Feld.